1 引言
可編程控制器(PLC)由于其結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、編程簡單、指令強大、靈活性強、能適用于比較惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)點，現(xiàn)已在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用�，F(xiàn)普遍采用觸摸屏加PLC的方法來監(jiān)控設(shè)備，但觸摸屏視角窄，不適應(yīng)惡劣環(huán)境，且數(shù)據(jù)存儲容量有限，不易實現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。因此我們采用PLC與計算機通訊的方式實現(xiàn)實時監(jiān)控，克服了觸摸屏的缺點。
2 S7-200 CPU自由口通訊方式的應(yīng)用
世界知名品牌的PLC很多，如西門子、歐姆龍、松下、三菱等等，本人僅以西門子S7-200小型可編程控制器的CPU22×系列為例，介紹PLC在計算機網(wǎng)絡(luò)中與計算機通訊的功能。
S7-200 CPU支持多樣的通訊功能，根據(jù)所使用的S7-200 CPU，其網(wǎng)絡(luò)可以支持一個或多個以下協(xié)議:
l 點到點(Point-to-Point)接口(PPI)
l 多點接口(Multi-Point)(MPI)
l PROFIBUS
l 用戶定義協(xié)議(自由口)
自由口通訊是通過用戶程序可以控制S7-200 CPU通訊口的操作模式。利用自由口模式，可以實現(xiàn)用戶定義的通訊協(xié)議連接多種智能設(shè)備。通過使用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令和接收指令，用戶程序控制通訊口操作。在自由口通訊模式下，通訊協(xié)議完全由用戶程序控制。通過SMB30(口0)允許自由口模式，而且只有在CPU處于RUN模式時才能允許。當(dāng)CPU出于STOP模式時，自由口通訊停止，通訊口轉(zhuǎn)換成正常的PPI協(xié)議操作。
近年來，隨著我國鐵路運輸環(huán)境的改善，列車速度越來越高，勢必對鐵道車輛提出較高的要求，其表現(xiàn)在對列車的舒適性和運行可靠性、安全性的要求提高，因此車輛上設(shè)備的自動化程度越來越高。自動化程度的提高，帶動了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在列車控制和監(jiān)控上的應(yīng)用。車輛網(wǎng)絡(luò)控制、監(jiān)控簡圖如圖1所示。
整列車設(shè)有車輛級計算機，每個車廂設(shè)有本車計算機，車輛級計算機與各個本車計算機組成車輛的主網(wǎng)，本車計算機與本車廂內(nèi)的各個設(shè)備間組成子網(wǎng)。PLC由于其自身的優(yōu)點，作為控制核心在車輛上的多種設(shè)備中得以應(yīng)用，例如列車自動門的控制、列車空調(diào)機的控制等，使其可以作為整個列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個節(jié)點。
3 通訊協(xié)議
SIEMENS S7-200系列PLC可以采用用戶定義通訊協(xié)議(自由口)模式實現(xiàn)計算機與PLC、PLC與PLC的通訊。筆者所描述的例子中，雖然車輛計算機系統(tǒng)和車輛上的其它設(shè)備分別是多個設(shè)備供應(yīng)商的產(chǎn)品，但是只要制定好通訊協(xié)議，就能滿足相互通訊的要求。S7-200系列的PLC正是由于其自由口通訊是通過用戶程序控制CPU串行通訊口的操作模式，所以可以方便地與車輛計算機通訊。
計算機(主站)每隔100ms查詢PLC(從站)一次，主站發(fā)出從站動作控制命令給從站，從站收到命令后發(fā)給主站應(yīng)答幀，從站接收到主站發(fā)送來的一幀數(shù)據(jù)，計算出其校驗碼FCS，與接收到的一幀數(shù)據(jù)中的FCS比較，檢查是否有數(shù)據(jù)錯誤。如果有數(shù)據(jù)有誤，從站發(fā)送信息給主站，請求重發(fā)。
l 字符結(jié)構(gòu):每個字符由11位構(gòu)成，奇偶校驗位采用奇校驗方式。
起始位 數(shù)據(jù) 奇偶校驗位 停止位
1位 8位 D7…D0 1位 1位
l 傳輸數(shù)據(jù)幀格式
BYTE(0)…BYTE(n) FCS
BYTE(0)…BYTE(n)為字符串;
FCS為異或校驗碼，是發(fā)送的所有數(shù)據(jù)字節(jié)和地址字節(jié)之異或值。
l 主站命令幀結(jié)構(gòu)
從站地址 從站地址補碼 控制字節(jié) 命令字節(jié) FCS
l 從站應(yīng)答幀結(jié)構(gòu)
從站地址 從站地址補碼 控制字節(jié) 應(yīng)答字節(jié) FCS
4 通訊口初始化
PLC內(nèi)部特殊存儲器位SMB30和SMB130分別配置通訊端口0和1，為自由端口通訊選擇波特率、奇偶校驗和數(shù)據(jù)位數(shù)。自由端口的控制字節(jié)描述如表1所示。
例如:在通訊協(xié)議中規(guī)定奇偶校驗為奇校驗、每個字符的數(shù)據(jù)為8位、波特率為19200、自由口協(xié)議，采用通訊端口0，則在PLC初始化程序中將SMB30賦值為0C5H。
例://串口初始化
┋
NETWORK 7
LD SM0.0
MOVB 16#C5, SMB30 //波特率為19200奇校驗 //1起始位1停止位8數(shù)據(jù)位
ENI //允許中斷
MOVB 2, SMB34
MOVB 20, SMB35
ATCH INT_0, 8
┋
5 PLC實時數(shù)據(jù)處理
由于S7-200系列PLC在自由口模式下，通訊協(xié)議完全由梯形圖程序或STL編輯器控制，程序可以使用接收中斷、發(fā)送中斷、發(fā)送指令和接收指令來控制通訊操作。CPU連續(xù)掃描用戶程序，執(zhí)行用戶任務(wù)。PLC在程序執(zhí)行過程中，基于穩(wěn)定、快速靈活等方面考慮，CPU每個掃描周期都通過輸入輸出映像寄存器來執(zhí)行實際輸入輸出操作，即讀實際輸入點值到映像寄存器、寫映像寄存器值到實際輸出點。由于在中斷中不能順利進行數(shù)據(jù)讀寫操作，因此，可通過編程，利用PLC循環(huán)掃描執(zhí)行程序的特點，使得在程序掃描期間實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲區(qū)與輸入輸出映像寄存器區(qū)交換數(shù)據(jù)。
在本實例中，PLC上電初始化后轉(zhuǎn)入接收字符中斷，當(dāng)上位機發(fā)出查詢命令后，PLC判斷所發(fā)命令的地址和地址補碼是否正確;如果正確判斷上位機是向PLC發(fā)送命令還是查詢PLC狀態(tài);如果執(zhí)行命令則PLC轉(zhuǎn)入主程序執(zhí)行相關(guān)命令，如果查詢PLC狀態(tài)則將協(xié)議定義的信息發(fā)送給上位機，上位機收到信息后發(fā)送應(yīng)答幀給PLC。
[NextPage]
例:INTERRUPT0 //接收開始
NETWORK 1
LDN SM3.0
AB= SMB2, VB0
MOVW +0, AC0
MOVD &VB600, VD638
MOVB SMB2, *VD638
XORW SMW1, AC0
MOVB AC0, VB300
ATCH INT_1, 8
ATCH INT_6, 11
CRETI
NETWORK 2
LD SM0.0
DTCH 8
ATCH INT_6, 10
INTERRUPT1 //接收地址補碼
NETWORK 1
LDN SM3.0
AN SM1.0
MOVB SMB2, *VD638
XORW SMW1, AC0
NETWORK 2
LD SM0.0
ATCH INT_6, 10
INTERRUPT2 //接收命令后判斷
┋
NETWORK 3 //發(fā)送信息
LDW= AC2, +0
AB= VB301, VB604
AB= VB603, 16#00
ATCH INT_4, 10
DTCH 11
CRETI
NETWORK 4
LD SM0.0
WDR
┋
NETWORK 7
LD SM0.0
S M31.0, 1
DTCH 11
ATCH INT_5, 10
INTERRUPT3 //接收應(yīng)答字節(jié)
NETWORK 1
LDN SM3.0
AN SM1.0
MOVB SMB2, *VD638
INCD VD638
XORW SMW1, AC0
DECW AC2
NETWORK 2
LDW= AC2, 16#0000
MOVW AC0, VW300
NETWORK 3
LD SM0.0
DTCH 8
[NextPage]
ATCH INT_6, 10
INTERRUPT4 //發(fā)送信息碼
┋
NETWORK 6
LD SM0.0
MOVW AC0, VW105
XMT VB100, 0
ATCH INT_6, 9
┋
INTERRUPT5 //發(fā)送應(yīng)答幟
┋
NETWORK 9
LD SM0.0
MOVW AC0, VW105
XMT VB100, 0
R M31.0, 1
ATCH INT_6, 9
┋
INTERRUPT6 //轉(zhuǎn)入接受中斷
NETWORK 1
LD SM0.0
DTCH 9
DTCH 10
DTCH 11
ATCH INT_0, 8
6 計算機實時數(shù)據(jù)處理
計算機程序由車輛級網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商提供，根據(jù)雙方制定的通訊協(xié)議，通常采用VB或VC編寫，在此不做詳細描述。
7 結(jié)束語
從以上敘述可以看到，由車輛計算機與PLC(或其它智能可編程設(shè)備)組建的車輛級實時監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵在于解決計算機與PLC的實時通訊、PLC對車上設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)控的問題。通過這種方式組建的車輛實時監(jiān)控系統(tǒng)，只是在原有的設(shè)備控制器軟件內(nèi)增加了通訊程序，所以并沒有增加設(shè)備供應(yīng)商的成本，因此這種監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)成本低，而且實時性好、操作簡單、通用性強。再利用計算機易組網(wǎng)的功能，實現(xiàn)了整列車的實時監(jiān)控，大大提供了列車行駛中的可靠性和安全性，因此這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在旅客列車、特別是高速列車上已普遍使用。